开关磁阻电机系统多路隔离DC_DC变换器设计

1、开关磁阻电机系统多路隔离DC-DC 变换器设计刘羡飞1,2,方天治2,赵徳安2,刘星桥2(1.南通工学院,江苏南通226007;2.江苏大学,江苏镇江212013摘要电源问题是开关磁阻电机系统在应用过程中遇到的突出问题之一。为此,设计了一个多路输出的单端反激式DC-DC 变换器,并对其进行了原理分析、参数设计及实验研究。关键词电气工程;开关磁阻电机;研究设计;DC-DC 变换器;脉宽调制;UC3842中图分类号TM352文献标识码A文章编号1003188X(2004010170031引言开关磁阻电机由于其结构简单、容错性好、运行可靠及效率高等特点,已在越来越多的场合得到应用。但开关磁阻电机系统

2、中主电路的上下功率管及相间功率管的驱动电源均不共地(虽然一些驱动模块可产生浮地电压,但往往成本较高,再加上控制电路需要的电源与驱动电路也不共地,因此作为一个产品,在应用过程中,一个多路隔离电源是必不可少的。为此,设计制作了一个结构简单、成本低、运行可靠的单端反激式DC-DC 变换器。2系统的原理与设计2.1DC-DC 变换器工作原理2.1.1UC3842PWM 控制器简介 DC-DC 变换器采用的PWM 控制器是低成本、高性能的UC3842芯片,它是一种固定频率的电流型控制器。其内部结构如图1所示。图1UC3842的管脚配置和内部等效电路UC3842芯片主要特点有:起动电流和工作电流低;开关频

3、率高,最高可达500kHz;可调整振荡器的放电电流以产生精确的占空比;带锁定的PWM,可以实现逐个脉冲的电流限制;内有5V 精密基准电压,具有完备的欠压、过压及过流保护;起动电压阈值(16V与关闭电压阈值(10V之间的差值,可有效地防止电路在阈值电压附近工作时产生的振荡;图腾柱输出电路最大电流可达1A,可直接驱动MOSFET。2.1.2DC-DC 变换器工作原理变换器原理图如图2所示。该系统是一个反激式的DC-DC 变换器。2030V 的直流电压经T1共模抑制及C 1、C 3滤波后提供系统工作电压。此工作电压经R 1给C 5充电,当充至16V 时,UC3842实现软起动,6脚有输出,使Q1开通

4、,能量得以在变压器原边储存。此时,由于副边整流二极管反向偏置,故能量无法传递给副边。R7是电流采样电阻,采样到的电压经滤波后与UC3842第3脚内部基准电压1V 相比较,当高过1V 时,Q1关断。此时,变压器原边储存的能量传输给副边的输出电容器中,产生输出电压。输出的+5V 主电源电压经光耦PC817A 反馈,光耦输出经分压后送到UC3842误差放大器的反相输入端(2脚,和同相输入端的2.5V 基准电压作比较以调整驱动脉宽,从而实现对输出电压的控制。2.2参数设计2.2.1系统要求的技术指标开关磁阻电机实验系统对此DC-DC 变换器所要求的各项输出技术指标见表1所示。2.2.2电路参数设计电路

5、中各器件参数详见图2。这里需指出的有以下几个方面:(1光耦的选择及光耦周边电阻参数的设计。一般来说,建议采用线性度较好的光耦,而不宜采收稿日期2003-06-23作者简介刘羡飞(1974-,男,江苏海门人,南通工学院助教,江苏大学电力电子及电力传动专业在读硕士,主要研究功率变换器及控制技术和开关电源。用具有明显开关特性的光耦(如4Nxx。因为两者相比,一方面,前者的电流传输比CTR 较高。保证了调节的灵敏度;另一方面,前者的CTR 与正向输入电流I F 的线性关系要比后者好得多,使输出与输入的线性关系得以保证。我们这里采用了CTR 较高,线性度较好的PC817A。至于周边电阻参数的设计应考虑如

6、下几个方面:表1要求的输出技术指标电压/v电流/mA功率/W+5(±5%(主电源I =302000+15(±3%I =20500-15(±3%I =20300第一组(用于开关磁阻电机系统的控制电路-15(±5%I =2050024.5+15(±7%I =10100第二组第四组(用于开关磁阻电机系统主电路的上功率管驱动-5(±10%I =101002+15(±7%I =10300第五组(用于开关磁阻电机系统主电路的下功率管驱动-5(±10%I =103002 图2DC-DC 变换器器原理图一是输入电流I F 与CTR

7、 (电流传输比的关系:I F =(U 0-U F -Udz /R 10其中:U F 为光耦输入二极管的正向压降,Udz 、R 10见图2所示。这里I F 考虑5mA 左右,使CTR 可达120%左右。注意:CTR 一般不要超过200%,否则调节灵敏度过高,易导致输出不稳定。二是考虑U CE 大小。一方面,不能使光敏三极管进入饱和;另一方面,要注意功耗不能超过限定范围(这里U CE 考虑5V 左右。(2开关频率的设定。f s 1.8/R 8C 10(R 8、C 10见图2。这里设定频率为100KHz。(3MOSFET 漏源极并联RCD 吸收网络的参数应满足RC (1/31/5T S 式中:T S

8、 =1/f s 为开关周期。(4因为是高频设计,所以二极管应采用快恢复或超快恢复二极管。(5高频变压器的设计。在反激式变换器中,高频变压器的设计是重要的一部分,设计工作量相应也比较大。其设计参数一是通过电感及气隙长度的计算,并考虑铁芯截面积,得到N 1=12匝,又考虑电流大小及集肤效应,经计算,这里选用标称直径为0.4mm 的漆包线8股并绕;二是按照与原边电压比及考虑占空比,计算得到N c=13匝,选用标称直径为0.31mm 的漆包线1股;三是N 2=N 3=N 4=N 5=5匝,选用标称直径为0.4mm 的漆包线8股并绕,其中+5V、GND1、-5V 采用抽头形式取出;四是N 6=8匝、N

9、7=4匝,GND2同样采用抽头形式取出。此绕组选用标称直径为0.31mm 的漆包线1股。第三组和第四组绕组分别跟此绕组对称,但第五组绕组匝数虽和此绕组相同,但需选用标称直径为0.31mm 的漆包线2股并绕;五是变压器骨架采用卧式骨架,铁芯采用EI40铁氧体铁芯,气隙长度为0.643mm。3实验结果3.1实验数据DC-DC变换器各路输出的实验数据,如表2所示。表2实验数据测试条件(V i n=20V结果第1组I=30mA2A+5V±200mVI=20mA0.5A+15V±310mVI=20mA0.3A-15V±250mVI=20mA0.5A-5V±130m

10、V第2组第4组I=10mA0.1A+15V±70mVI=10mA0.1A-5V±25mV第5组I=10mA0.3A+15V±250mVI=10mA0.3A-5V±120mV3.2实验波形图3示出了该DC-DC变换器的主要实验波形。其中(a为UC3842第6脚输出的开关管的驱动波形;(b为加RCD吸收网络后MOSFET漏源极波形;(c为UC3842第3脚电流采样波形;(d为UC3842第4脚振荡波形。4结论DC-DC变换器已应用到开关磁阻电机的实验系统中。它的可靠性、运行稳定性以及抗干扰性良好。此电路结构简单、成本低廉,非常实用。按此法设计的DC-DC变换

11、器也适用于其它电机的驱动和控制系统,完全可以在50W以下小功率的应用场合推广,具有很好的应用前景。(aUC3842(6脚驱动波形(bMOSFET漏源极波形 T1 Ref B: 1 Volt 5 us (cUC3842(3脚波形图(dUC3842(4脚波形图3DC-DC变换器的主要实验波形参考文献1何希才.新型开关电源设计与应用M.北京:科学出版社,2001.2叶慧贞.新颖开关稳压电源M.北京:国防工业出版社,1999.3沙占友.新颖单片开关电源的设计与应用M.北京:电子工业出版社,2001.The Design of DC-DC Converter with Multi-output Volt

12、age for theSystem of Switched-reluctance MotorLIU Xian-fei1,2, FANG Tian-zhi, ZHAO An2,LIU Xing-qiao2(1.Nantong Institute of Technology, Nantong 226007, China; 2.Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China Abstract Because the problem of power supply is one of the serious problems that the switched-reluctance motor faces during its application, an off-line flyback DC-DC converter with multi-output voltage is designed in this paper, and the t